地基GPS大氣水汽監(jiān)測及在氣象業(yè)務應用中的關鍵技術(shù)

陳小雷，仝美然，景 華，馬翠平，李國翠

（1.河北省氣象臺，河北石家莊050021;2.河北省氣象服務中心，河北石家莊050021;3.石家莊市氣象局，河北石家莊050081）

一、引 言

地基GPS氣象學是20世紀90年代發(fā)展起來的，利用全球衛(wèi)星導航技術(shù)(GPS)主動遙感地球大氣的多學科交叉技術(shù)，也是一門新興前沿學科。利用地基GPS技術(shù)可以獲得高精度、連續(xù)、實時的大氣水汽資料，而大氣中水汽分布和變化對于降水天氣的發(fā)生具有重要的作用，對于暴雨、雷暴、熱帶氣旋等天氣及時提供準確的大氣水汽含量和變化信息，可以提高和改善氣象預報的準確率［1］，利用地基GPS反演的大氣水汽資料對于改善中尺度天氣數(shù)值預報模式性能也具有重要的意義［2］。

國內(nèi)從20世紀90年代中期由國家衛(wèi)星氣象中心和北京大學聯(lián)合進行了地基GPS/MET的研究，利用地基GPS資料對大氣可降水量進行了反演，2000年在北京地區(qū)進行了我國第一次地基GPS水汽試驗，2001年在973暴雨項目的觀測試驗項目中在安徽進行了地基GPS的外場試驗，完善了地基GPS反演大氣可降水量技術(shù)。

2003年中國氣象局在河北省建立了石家莊、秦皇島、張家口3個地基GPS站，組成了我國第一個地基GPS遙感水汽試驗監(jiān)測網(wǎng)［3］。2009年6月河北省氣象局和河北省測繪局聯(lián)合建立了27個地基GPS站，為開展大范圍地基GPS資料在氣象業(yè)務應用奠定了條件。而利用地基GPS資料在氣象中業(yè)務應用也存在著諸多關鍵技術(shù)和研究熱點問題:一是如何建立實時、穩(wěn)定的業(yè)務系統(tǒng)，把地基GPS原始觀測資料快速轉(zhuǎn)化為業(yè)務人員所需要的高精度大氣水汽產(chǎn)品;二是地基GPS反演出的大氣水汽產(chǎn)品可信度和精度與傳統(tǒng)探測大氣水汽資料相比質(zhì)量如何［4］;三是如何建立一個被業(yè)務人員認可、應用方便的業(yè)務應用平臺;四是地基GPS反演出大氣水汽資料如何在降水、暴雨等災害性天氣預報中得到具體應用。為此，河北省氣象臺陸續(xù)開展了對地基GPS大氣水汽監(jiān)測和地基GPS資料在氣象業(yè)務中的技術(shù)研究，并取得了一階段性的成果。

二、關鍵技術(shù)成果

1.建立河北省氣象部門地基GPS資料處理業(yè)務系統(tǒng)

該系統(tǒng)實現(xiàn)了地基GPS原始觀測資料到水汽產(chǎn)品的快速轉(zhuǎn)化，是應用地基GPS資料的基礎。其基于Linux系統(tǒng)平臺，以高精度 GAMIT軟件為支撐，開發(fā)了地基GPS原始資料反演大氣水汽產(chǎn)品的軟件包，該軟件包根據(jù)GPS反演大氣水汽的基本原理，對地基GPS原始數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和從IGS下載的精密星歷文件等信息實時處理，實現(xiàn)了對多站點地基GPS原始資料解算和大氣水汽產(chǎn)品反演［5］。

2.開發(fā)地基GPS原始數(shù)據(jù)傳輸軟件

通過研究初步制訂了地基GPS原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)男袠I(yè)標準，開發(fā)了地基GPS原始數(shù)據(jù)傳輸軟件。該軟件以Windows為操作平臺，采用Delphi語言，實現(xiàn)了地基GPS應用的3類數(shù)據(jù)文件(氣象數(shù)據(jù)文件、GPS觀測文件、星歷文件)傳輸及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等，為保證地基GPS資料實時處理提供了保證。

3.建立地基GPS水汽產(chǎn)品應用業(yè)務平臺

該平臺為業(yè)務人員應用地基GPS水汽資料提供了方便，它應用Java環(huán)境，針對氣象部門實際業(yè)務，實現(xiàn)了多種形式的大氣水汽產(chǎn)品輸出。平臺具有對單站地基GPS大氣水汽產(chǎn)品實時動態(tài)監(jiān)測，并可以與氣溫、氣壓、相對濕度、降水量、風向風速等氣象要素的同步對比分析功能。同時，還具有大氣水汽變量的動態(tài)變化分析功能，具有可把當前時次大氣水汽與前1小時、前2小時和前3小時的對比分析，從而能夠更好地反映出大氣水汽變化與大氣降水量的關系，并從中建立降水預報指標。

對區(qū)域水汽資料，實現(xiàn)了區(qū)域大氣水汽平面動態(tài)分析，利用河北30個地基GPS站反演的單站水汽資料，采用數(shù)值插值技術(shù)，實現(xiàn)了區(qū)域水汽平面動態(tài)分析，對于分析區(qū)域內(nèi)大氣水汽輸送路徑和大水汽中心具有很好的指示意義，為區(qū)域性強降水提供了參考。為做好同氣象部門統(tǒng)一應用的預報業(yè)務平臺MICAPS銜接，該系統(tǒng)還生成MICAPS格式的地基GPS水汽產(chǎn)品，實現(xiàn)了與MICAPS業(yè)務平臺的產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享。

4.檢驗對比

對地基GPS資料反演的大氣水汽產(chǎn)品與傳統(tǒng)探測的大氣水汽產(chǎn)品進行了檢驗對比，結(jié)果表明地基GPS資料反演的大氣水汽產(chǎn)品在業(yè)務中是具有較高的實用價值［6］。地基GPS反演大氣水汽的精度一直是氣象工作者比較關注的問題，為了證實地基GPS反演大氣水汽的可行性和準確性，項目組選取了石家莊、張家口二站GPS反演的大氣水汽與利用常規(guī)探空資料計算的大氣水汽進行檢驗對比。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，利用地基GPS反演的大氣水汽精度要高于常規(guī)探空站資料的計算結(jié)果精度，而且利用兩種資料計算的大氣水汽變化趨勢是一致的，說明GPS資料反演的大氣水汽值具有較高的實用價值。同時通過誤差檢驗分析，發(fā)現(xiàn)單站GPS反演的大氣水汽資料有效半徑距離是有一定限度的，一般應用范圍半徑不要超過30 km。

5.利用地基GPS反演的大氣水汽產(chǎn)品分析河北大氣水汽時空分布特征［7］

通過對石家莊、張家口、秦皇島3站地基GPS大氣水汽產(chǎn)品(簡稱GPS/PWV)分析，發(fā)現(xiàn)3站的GPS/PWV月平均值變化總趨勢一致，從4—7月變化均是逐月增加，8—10月明顯下降，11月小幅下降，7月平均值為最大，11月值為最小。通過對海拔高度的3個GPS站分析，發(fā)現(xiàn)海拔較高的站GPS/PWV要小于海拔低的站。對2005年汛期期間石家莊、張家口、秦皇島3站GPS/PWV日平均值變化，發(fā)現(xiàn)在6月下旬和7月中旬有兩次明顯的快速上升特征，在8月中旬有明顯的快速下降特征，此特征與2005年河北汛期降水多雨時段和少雨時段變化相一致。

提出了利用每月非降水時段GPS/PWV平均值作為當月降水預報的基值［8］。通過對多個個例資料分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的大多數(shù)降水過程GPS/PWV值要高于當月基值，而且不同的天氣系統(tǒng)其GPS/PWV變化特征不相同，但大部分降水過程前24 h之內(nèi)GPS/PWV值有在1～3 h內(nèi)增長4～5 mm以上的急升出現(xiàn)，此值可以作為降水預測的指標之一。

通過利用對地基GPS反演的大氣水汽資料在強降水、暴雨等災害性天氣過程的研究分析，揭示了地基GPS水汽資料在降水、暴雨等災害性天氣預報中的預報預警指標，為提高天氣預報準確率提供了新的預報工具和支撐。

三、應用分析

1)總結(jié)了GPS/PWV在大雨及以上降水過程中的預報指標。通過對25次大雨以上天氣過程分析，發(fā)現(xiàn)GPS/PWV日最大值平均值為67.2 mm，有降水出現(xiàn)時的GPS/PWV平均值介于32.5～78.1 mm之間，平均值為62.4 mm。與對應站點的GPS/PWV旬平均值相比，降水日的GPS/PWV距平均值為14.8 mm，均出現(xiàn)在GPS/PWV高于旬平均值時。暴雨日 GPS/PWV日最大值介于63.7～75.5 mm之間，平均值為70.6 mm;日均值介于48.2～69.0 mm之間，平均值為59.4 mm。

2)通過對不同性質(zhì)降水過程的GPS/PWV分析，揭示了對流性降水和非對流性降水過程的GPS/PWV特征。

對于對流性降水過程，其GPS/PWV表現(xiàn)出明顯的階段性變化特征，降水開始前和結(jié)束后，GPS/PWV分別表現(xiàn)為階段性快速遞增或遞減，降水強度的強弱與大氣水汽的峰值及變化幅度密切相關;當降水強度出現(xiàn)極大值時，對應時刻或隨后一小時GPS/PWV常會出現(xiàn)輕微下降趨勢;強降水出現(xiàn)前，GPS/PWV有時會出現(xiàn)一個不產(chǎn)生降水的次峰值，這種特征可以作為對流性天氣出現(xiàn)的某種預警指示。

對于穩(wěn)定性降水過程，降水開始前和結(jié)束后，GPS/PWV分別有一段遞增和遞減的變化過程;降水期間，對應的GPS/PWV普遍高于歷年月平均基值;GPS/PWV值的高低及變化趨勢與對應的天氣形勢的配置和移速有很大關系。穩(wěn)定性降水的GPS/PWV變化相對平緩，降水量的多少很大程度上取決于高值大氣水汽的持續(xù)時間;當降水強度出現(xiàn)極大值時，對應時刻前后的一小時大氣水汽會持續(xù)維持高水平甚至還會繼續(xù)上升;降水強度極大值與GPS/PWV極大值出現(xiàn)時間不一定吻合，但強降水通常出現(xiàn)在GPS/PWV高值階段，大氣水汽的高值階段往往對應著較高的降水概率。

3)揭示了河北夏季兩類暴雨天氣系統(tǒng)GPS/PWV的特征，為暴雨預報提供了預報預警指標。

副熱帶高壓北進和南退型暴雨GPS/PWV特征［9］。降水通常出現(xiàn)在大氣水汽GPS/PWV高于基值時，其中大氣水汽的極大值階段往往對應著強降水;大氣水汽GPS/PWV上升后期，一般水汽和不穩(wěn)定能量已經(jīng)過長時間的積累，滿足高能、高濕條件，一旦配合有擾動發(fā)生(在副高的邊緣)，就會產(chǎn)生很強的對流性降水，大氣水汽GPS/PWV表現(xiàn)為急劇上升特點;在大氣水汽GPS/PWV下降初期，GPS/PWV雖有所減小但仍高于正常水平，降水趨于減弱但仍會維持弱降水。

高空冷渦型暴雨 GPS/PWV特征［10］。高空冷渦降水對應的大氣水汽GPS/PWV值一般位于40 mm以上，過程最大值為50.0～53.7 mm。大氣水汽GPS/PWV呈單峰型分布，表現(xiàn)為“升-降”趨勢。降水開始于大氣水汽GPS/PWV的極大值前后，即上升階段的后期或下降階段的初期，分別比大氣水汽GPS/PWV極大值出現(xiàn)的時間偏早1～4 h或偏晚1～2 h。后期降水強度弱，大氣水汽GPS/PWV呈下降趨勢，但仍高于40 mm;當大氣水汽迅速減小到40 mm以下時，預示著降水的結(jié)束。

四、結(jié)束語

通過對地基GPS大氣水汽監(jiān)測及在氣象業(yè)務應用中的關鍵技術(shù)研究，建立的地基GPS資料實時處理和水汽解算系統(tǒng)為實時處理地基GPS資料提供了技術(shù)支撐，開發(fā)的地基GPS水汽產(chǎn)品應用平臺為氣象部門應用地基GPS資料提供了方便，氣象業(yè)務人員可利用平臺可以實時監(jiān)測大氣水汽變化，通過對多年資料分析總結(jié)的強降水、暴雨等預報預警指標為提供天氣預報準確率提供了新的技術(shù)支撐。

由于研究水平和時間等限制，本項目在技術(shù)研究中還存在著一定的問題，地基GPS資料在氣象業(yè)務中應用技術(shù)還需要深入開展，例如，如何進一步提高GPS反演大氣水汽產(chǎn)品的精度，如何提高GPS資料實時處理的穩(wěn)定性和時效性，并充分利用其生成的大氣水汽產(chǎn)品研究在多類暴雨天氣系統(tǒng)中的應用以及在冬季降雪、大霧等預報中的應用技術(shù)等，還需要下一步的深入研究。

［1］ 陳永奇，劉焱雄，王曉亞，等.香港實時GPS水汽監(jiān)測系統(tǒng)的若干關鍵技術(shù)［J］.測繪學報，2007，36(1):9-12.

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［4］ 王勇，柳林濤，郝曉光，等.武漢地區(qū)GPS氣象網(wǎng)應用研究［J］.測繪學報，2007，36(2):141-145.

［5］ 陳小雷，馬翠平，仝美然.河北地基GPS水汽觀測業(yè)務系統(tǒng)建設［C］∥測繪科學前沿技術(shù)論壇論文集.北京:中國地圖出版社，2008.

［6］ 陳小雷，景華，仝美然，等.地基GPS遙測大氣水汽應用精度和范圍探討［J］.氣象科技，2009，37(1):85-88.

［7］ 景華，陳小雷，仝美然，等.河北省地基GPS遙測大氣可降水量特征初探［J］.河北氣象，2006，25(4):12-19.

［8］ 陳小雷，景華，仝美然，等.地基GPS遙測大氣可降水量在天氣分析中的應用［J］.氣象，2007，33(6):19-24.

［9］ 李國翠，李國平，陳小雷，等.一次西太平洋副熱帶高壓進退過程中暴雨的GPS可降水量特征［J］.大氣科學學報，2011，34(4):393-399.

［10］ 李國翠，李國平，王叢梅，等.應用GPS可降水量和加密自動站資料對一次高空冷渦暴雨的分析［J］.云南大學學報:自然科學版，2010，32(S2):194-200.